银耳状fenc复合催化剂的制备及催化氧还原性能研究

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。银耳状FeNC复合催化剂的制备及催化氧还原性能研究　　摘要以无机铁盐和邻苯二胺为基础原料，经铁基螯合前驱体热解反应，制备出FeNC复合催化剂。经扫描电镜观察，带有折褶的碳微纳米片相互交迭，形成银耳状的三维自支撑结构。氮气吸脱附测试表明此结构富含微孔和介孔，比表面积可达290m2/g。通过X射线衍射确证石墨化C和多晶Fe3C作为催化剂主相存在，X射线光电子能谱进一步揭示N原子主要以石墨N和吡啶N形式掺杂

2、到C骨架中。电化学测试表明银耳状FeNC复合催化剂在碱性条件下催化氧还原反应为四电子过程，其催化活性可媲美商业Pt/C催化剂。经过XX次氧还原测试后，催化极限电流衰减小于5%，并且半波电势仅负移5mV，表现出优异的氧还原催化稳定性。　　关键词氧还原反应；FeNC复合催化剂；多孔结构；催化活性；催化稳定性　　1引言为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进

3、行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　氧还原反应是燃料电池阴极反应的必经过程，与阳极燃料的氧化反应相比，其电极过程动力学更加缓慢[1，2]，是燃料电池发电系统的限速步骤。为提高燃料电池的能量转化效率，通常采用催化剂加快电极反应动力学。由于ORR是多电子反应[3]，存在多种不同的反应路径，因此ORR催化剂的实际反应机理非常复杂。最理想的ORR过程是氧分子直接获得4个电子生成水，而不必经历产生O　　Symbolm@@2或HO　　Symbolm@@2等二电子中间体反应过程。这对ORR催化剂的设计提出了严峻的挑战，其基本要

4、求是尽可能提高ORR催化剂的选择性，使阴极反应向有利于四电子反应的方向进行。　　目前，燃料电池多采用Pt/C作为阴极氧还原的催化剂。但贵金属Pt资源稀缺，价格昂贵[4]，难以满足大规模商业化的应用需求。因此，设计开发高效、廉价的非贵金属ORR催化剂取代贵金属基催化剂是当前燃料电池发展最核心的研究方向。杂原子掺杂的石墨化碳基催化剂，表面富含自由移动的π电子[15]，这些电子对活化ORR非常有利[16，17]。其中，N原子掺杂的碳基催化剂比其它杂原子掺杂显示出更稳定的ORR催化活性[18]。最近有研究表明，在N掺杂的碳基材料中引入过渡金属，催化剂的活性可接近商业Pt/C，尤其Fe

5、NC类复合催化剂性能尤为突出[24]。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　FeNC类复合催化剂被认为是当前最具开发潜力的ORR催化剂，具备商业化催化剂所需的高效、成本低的特征，并且比Pt基催化剂具有更好的抗“中毒”能力。然而，ORR催化剂的实际性能与

6、材料的组成结构密切相关，其比表面积和活性位点分布将直接决定ORR催化效率。基于此，本研究采用同时包含π电子碳环和双氮基团的邻苯二胺作为氮掺杂石墨化碳源，选择无机铁盐与其络合形成FeNC前驱体螯合结构，再经热解反应，最终获得具有高比表面积、高活性的银耳状FeNC复合ORR催化剂。除了可媲美的高催化活性，该FeNC催化剂展示出比商业Pt/C催化剂更稳定持久的ORR催化活性。　　2实验部分　　仪器与试剂　　CHI760E电化学工作站；MSR旋转圆盘系统；DX2700X射线衍射仪；NovaNanoSEM230扫描电子显微镜；VSorb2800P比表面积测试仪；KAlpha1063X射

7、线光电子能谱；KSY6DT管式炉；REXXA旋转蒸发仪。　　邻苯二胺、FeCl3・6H2O；无水乙醇；5%Nafion溶液；20%Pt/C催化剂；水磨砂纸；高纯氩气/氧气；KOH。实验用水为去离子水。　　复合催化剂的制备　　在40mL无水乙醇中加入g邻苯二胺和gFeCl3・6H2O，避光条件下搅拌26h进行螯合反应，所得混合物于45℃下旋蒸除去溶剂，70℃真空干燥12h。将干燥产物转移到瓷舟，在Ar气氛的管式炉中以5℃/min的升温速率升至800℃，保温1h，然后自然冷却至室温。所得热解产物分散于mol